黄金部队探地雷达方法技术

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 地下深度为D的地下水平界面的反射波 双程走时t满足
t
2
x v
2 2

4D v
2
2
( 2 .1)
• 式中x为发射天线与接收天线之间的距 离,D(z)为反射界面的深度;v为电磁波 的传播速度。
• 地表直达波可看成是D=0时的反射波。式 (2-1)表示，当地层电磁波速度不变时， t2 与x2成线性关系，亦即若以x2为纵坐 标，t2为横坐标，则宽角法所得的共深 度点反射波走时线为直线,见图2.6。
• 多次波的反射按一次反射作正常时 差校正后，多次波的剩余时差为
t d
x
2
(
1
2

1 v
2
) qx
2
(2 2)
2t 0 v d
• 其中v为地层的电磁波速度，vd 则是 多次反射波在地层中的视速度。 • 剩余时差系数：
q
1 2t0
(
1 vd
2

1 v
2
)
•
由(2-2)式可知，剩余时差与天 线距x有关。 • 下面探讨利用不同天线距资料进行多 次叠加压制多次反射波的效果。
•
图2.5
宽角法测量方式
图2.5
宽角法（共中心点法）观测方式
直达地面波
直达空气波
求取 速度 公式
速度=直达地面波（地表波）斜率的倒数
图 2.6
共中心点雷达图象
地表直达波
空气直达波
平方坐标系 中的反射波1
反射波1
平方坐标系中 的地表直达波
平方坐标系 的空气直达
平方坐标 系中的反 射波2
反射波2
• 探地雷达的折射测量,实际是宽角测 量的一种形式，是近年发展起来的 一种测量方式。类似于折射地震勘 探。探地雷达折射测量方式也有两 个条件:
•
首先雷达波的入射角足够大， 或发射天线和接收天线的距离足 够大; • 其次雷达波在下伏地层(或介 质)中的传播速度大于上覆介质 的速度。
插图2.7
电磁波入射到界面时发射折射的示意图
• 通过对波形图的到时进行分析，可以 得到如图2.9的时距曲线图。根据时距 曲线的分析可以确定界面的深度、界 面的起伏形态和界面上下层的介电参 数等。
雷达观测方式
反射测量
剖面法
宽角法
折射测量
多次覆盖
•点 测 • 连续测量
• 共发射点法 • 共接收点法 • 共中心点法
总结
• 1.电介质是指能在电场中极化的物质,或 • 不具有任何导电性的物质或物体; • 2.物质的介电性质用介电常数来描述
k 1 n
(2 4)
• 从(2-4)式可见，叠加后的频谱与自激 自收一次反射波信号频谱的区别在于 增加了一个因子
K ( j )
exp(
k 1
n
j t dk )，其模 ( cos t dk ) ( sin t dk )
2 k 1 k 1 n n
K ( ) K ( j )
2
(2 5)
• 为了表示叠加后的多次波相对于一次波的 压制程度，用叠加后多次波的振幅与一次 波振幅之比P()来衡量叠加效果，得到
P ( )
1 n
( cos t dk ) ( sin t dk )
2 k 1 k 1
n
n
2
插图2.8
接收天线获得的波形图
插图2.9
接收天线得到的时距曲线图
• 满足上述条件时，雷达波以一定角度入 射时，当电磁波达到层1和层2界面时， 电磁波将发生反射和折射,如插图2.7 。 • 当入射角足够大时，折射角将等于90 度，沿界面传播。当天线臵于地面时， 在接收天线处将接收到如图2.8的波形图。

假设地下界面为水平时，把天线距x作 横坐标，以反射波的双程走时t为纵坐 标，可绘制来自反射点A的时距曲线 (书中的图2.2)。曲线方程为
ti 1 v 4 h xi
2 2
( 2 1)
图2.2 共深度点时距曲线
• 于是通过共深点的时距曲线，可把不同 天线距 (亦称偏移距)的双程走时减去一 个校正值ti使其与零源距双程走时 t0(t0=2h/v)一致。经过偏移距校正后的 记录进行叠加后的结果，使来自地层界 面的反射信号增强了(见书中图2.3)。


探地雷达剖面法按记录方式不同，还分 为点测和连续测量， 见插图1：点测方式 和插图2：连续测量方式
2.宽角法（共中心点法） • 当一个天线固定在地面某一点上不 动，而另一个天线沿测线移动，记录地 下各个不同层面反射波的双程走时，这 种测量方法称为宽角法 (见图2.5)。
• 宽角法测量的目的主要是用来求取 地下介质的电磁波传播速度。
2 k 1 k 1
n
n
2
(2 9)
• 以n、、为参数，以a为自变量， 可按公式(2-9)计算出叠加效果。 • 图2.4为n=4、=3、=12的条件下 叠加振幅特性曲线。曲线上P(a) 的低值区称为多次波的压制带。
图2.4
叠加振幅特性曲线
• 一般取P=1/n为压制区的平均值，它与 曲线的交点为c和’c ， • 在c ’c区间内，波受到最大压 制。天线距增量d与叠加次数n的选择 应保证a落入压制带内。
图2.3
动校正前后叠加的不同效果
• 原则上,不同于一次反射波的各种规则 干扰波，都有自己的正常时差公式，甚 至一次反射波的正常时差公式在水平界 面和倾斜界面情况下也不相同。所以， 当一律采用水平层状一次反射波的正常 时差公式进行动校正后，除了水平层状 一次波外,
• 其他类型的波，因为其波至时间 一般不等于回声反射时间，所以 仍有一定量的时差，我们把这种 经过正常时差校正后残留的时差 叫做剩余时差td

探地雷达观测方式 反射波测量方式 剖面法 宽角法 多次覆盖 折射波测量方式
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•
探地雷达采用高频电磁波中的形式进 行地下探测。因而其运动学规律与地震勘 探方法类似。地震勘探方法的数据采集方 式也被借鉴到探地雷达方法的野外测量。 其中包括反射、折射的测量方式。
• 目前用的双天线探地雷达测量方式主要 有:剖面法、宽角法和多次覆盖法（共中 心点法）。 1. 剖面法 剖面法是发射天线(T)和接收天线(R)以 固定间距沿测线同步移动的一种测量方式 (图2.1)。
(2 6)
• 引进单位叠加参数a,令
K x ,k a
t dk
T
(2 7)
• 其中：
K x ,k xk x
2 2
[
x1 x
( k 1)
2d x
] [ ( k 1) 2 v ]
2
2
(2 8)
P (a )
1 n
( cos 2 K x , k a ) ( sin 2 K x , k a )
0 (1 e )
( 2 .1 .2 )
•
e为介质的极化率;
• 3. 决定电磁波速度v的主要因素是介电 常数r,设c是光速，则 c / r • 4.电导率的影响一般只考虑对电磁波的 损耗和衰减,进而影响探测深度; •：
• 5.探地雷达应用前提条件是介电常数的差 异。对于准电介质，其反射系数为
• 设地下某反射点到达地面共中心点M 处的一次反射信号为f(t)，其对应 频谱为g(j)。几个不同天线距的信 号进行正常时差校正后进行叠加。 对一次反射波来说，叠加后的输出
F (t )

k 1
n
f ( t ) nf ( t )
• 即等于几个自激自收信号之和，其对应 的频谱
G ( j )
T
X
R
Z
V
2.1
雷达反射探测原理图
T1
地面
R1
T4
R4
T7
R7
目的体 基岩 点 位 (m )
双 程 时 间
b t
2.2
雷达剖面法测量记录示意图


剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖 面图像来表示。见图2.2 该图像的横坐标记录了天线在地表的位 臵;纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉 冲从发射天线出发经地下界面反射回到接 收天线所需的时间。这种记录能准确反映 测线下方地下各反射界面的起伏变化。
R
2 2
1 1
• 式中是相对介电常数
插图1
地质雷达的逐点勘测
插图2
地质雷达连续探测试验
图2.6 走时曲线
3.多次覆盖 由于介质对电磁波的吸收，来自 深部界面的反射波会由于信噪比过小 而不易识别、这时可应用不同天线距 的发射-接收天线在同一测线上进行 重复测量。然后把来自同一反射点的 雷达记录叠加，这种记录能增强对深 部地下介质的分辨能力。
• 同一测点使用不同天线距的测量结 果进行叠加前，需要把不同天线距 的信号双程走时校正到零源距的双 程走时才可进行叠加，这种校正称 为时差校正。

k 1
n
g ( j ) ng ( j )
• 但是，对于多次反射，经正常时差 校正后仍有剩余时差，与天线距有 关。不同天线距叠加后的输出信号 为
Fd (t )

k 1
n
f ( t t dk )
( 2 3)
• 其对应的频谱是
G d ( j ) g ( j ) exp( j t dk )